(57)【要約】【課題】ダイヤフラムに圧力検出素子が設けられている圧力センサにおいて、ダイヤフラムの歪みに起因する写真製版のピントずれを回避して、圧力検出素子を高精細に形成する圧力センサの製造方法を提供する。【解決手段】第一の半導体基板１の正面側に圧力検出素子５を形成した後、第一の半導体基板１の圧力検出素子５が形成されていない背面側から薄肉化する工程と、第二の半導体基板３上に絶縁層２を形成した後、絶縁層２の一部を除去して凹部を設ける工程と、薄肉化された第一の半導体基板１と第二の半導体基板３上の絶縁層２とを接合してダイヤフラムを形成する工程とを備えるようにした。【選択図】図１
2007033304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の半導体基板の正面側に圧力検出部を形成した後、前記第一の半導体基板の前記圧力検出部が形成されていない背面側から薄肉化する工程と、
第二の半導体基板上に絶縁層を形成した後、前記絶縁層の一部を除去して凹部を設ける工程と、
薄肉化された前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板上の前記絶縁層とを接合する際に前記圧力検出部の位置が前記凹部の領域に適合するようにしてダイヤフラムを形成する工程とを備えることを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項２】
絶縁層として酸化ナトリウムを含むホウ珪酸ガラスを用い、第一の半導体基板と第二の半導体基板上の絶縁層との接合を陽極接合方法によって行うことを特徴とする請求項１記載の圧力センサの製造方法。
【請求項３】
第一の半導体基板の背面側を、第二の半導体基板上の絶縁層に接合することを特徴とする請求項１記載の圧力センサの製造方法。
【請求項４】
圧力検出部の表面に絶縁性保護膜を形成する工程を備えることを特徴とする請求項３記載の圧力センサの製造方法。
【請求項５】
第一の半導体基板の正面側を、第二の半導体基板上の絶縁層に接合することを特徴とする請求項１記載の圧力センサの製造方法。
【請求項６】
第一の半導体基板の正面側で、かつ前記第一の半導体基板と第二の半導体基板上の絶縁層との接合部の周辺に、圧力検出部と電気的に接続する電極パッドを形成する工程を備えることを特徴とする請求項５記載の圧力センサの製造方法。
【請求項７】
第二の半導体基板上で、かつ第一の半導体基板と前記第二の半導体基板上の絶縁層との接合部の周辺に、圧力検出部と電気的に接続する電極パッドを形成する工程を備えることを特徴とする請求項５記載の圧力センサの製造方法。
【請求項８】
第二の半導体基板に、凹部の底面を通る貫通穴を形成する工程を備えることを特徴とする請求項１記載の圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイヤフラムに圧力検出部が設けられている圧力センサの技術分野に属するものであり、とくに圧力検出部を高精細に形成する圧力センサの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体を用いた圧力センサとしては、半導体基板をエッチングにより薄肉化したダイヤフラムを圧力に対する変形部として用いたものが知られている。ダイヤフラムには、その変形量に基づく圧力変化を検出するために、圧力検出部が設けられる。
【０００３】
従来の圧力センサの製造方法では、第一の半導体基板にキャビティを形成した後にこのキャビティ側を第二の半導体基板に真空中で接合し、第一の半導体基板をエッチングによって薄肉化することでダイヤフラムを形成している。このとき、キャビティ内が圧力基準室になる。ダイヤフラム形成後に通常のＩＣ製造プロセスを用いて圧力検出部などを形成し、圧力センサを得ている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３９３７１号公報（段落番号００１６〜００２４、図３、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の圧力センサの製造方法では、第一の半導体基板と第二の半導体基板の接合後に、第一の半導体基板を所望の厚さまで薄肉化してダイヤフラム形成する。この場合、とくに圧力基準室が真空であると、第一の半導体基板の薄肉化に伴って、圧力基準室と外気との気圧差からダイヤフラムには歪みが生じる。そのため、ダイヤフラムの歪んでいる面に、リソグラフィーによって圧力検出部をパターニングする必要があり、リソグラフィーのピントずれが発生する。それゆえに、圧力検出部を高精細に形成することが困難という問題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ダイヤフラムの歪みに起因するリソグラフィーのピントずれを回避して、圧力検出部を高精細に形成する圧力センサの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明における圧力センサの製造方法は、第一の半導体基板の正面側に圧力検出部を形成した後、前記第一の半導体基板の前記圧力検出部が形成されていない背面側から薄肉化する工程と、第二の半導体基板上に絶縁層を形成した後、前記絶縁層の一部を除去して凹部を設ける工程と、薄肉化された前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板上の前記絶縁層とを接合する際に前記圧力検出部の位置が前記凹部の領域に適合するようにしてダイヤフラムを形成する工程とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、第一の半導体基板に圧力検出部を形成した後に第一の半導体基板を薄肉化し、さらにその後に薄肉化された第一の半導体基板と第二の半導体基板の絶縁層との接合によってダイヤフラムを形成するので、ダイヤフラムの歪みに起因するリソグラフィーのピントずれを回避して、圧力検出部を高精細に形成する圧力センサの製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１
図１は、実施の形態１を説明するための圧力センサの断面図である。この圧力センサは絶対圧センサであって、第一の半導体基板としての単結晶シリコン薄板１、絶縁層２および第二の半導体基板としての単結晶シリコン支持基板３からなる三層構成である。絶縁層２の一部を除去して設けられた凹部は、単結晶シリコン薄板１と単結晶シリコン支持基板３に挟まれて空洞領域を形成し、この空洞領域は圧力基準室４として機能する。単結晶シリコン薄板１のうち圧力基準室４に対応した領域が、圧力基準室４と外気との圧力差に応じて変形するダイヤフラムとして機能する。圧力検出部としての歪みゲージ５は、ダイヤフラムの変形量を抵抗変化に変換することができる。この抵抗変化から外気圧を検出することができる。
【００１０】
図２〜４は、この圧力センサの製造方法を説明するためのプロセス図である。
図２（ａ）では、薄肉化する前の第一の半導体基板としての単結晶シリコン基板１に半導体プロセスによって歪みゲージ５を形成する。ここでは、歪みゲージ５が形成される側を単結晶シリコン基板１の正面側とする。歪みゲージ５は、ＮｉＣｒ薄膜のような金属薄膜でも良いし、またイオン注入によって単結晶シリコン基板１と反対の導電性領域を設けることでも形成できる。例えば、Ｎ型基板にボロンを注入しＰ領域を形成することで、歪みゲージ５を形成できる。
【００１１】
続く図２（ｂ）では、単結晶シリコン基板１の歪みゲージ５が形成されていない背面側から薄肉化して、単結晶シリコン薄板１を形成する。薄肉化手法としては、例えば機械化学研磨（ＣＭＰ）があげられる。この場合、研磨面の極最表面は加工歪みが入るために機械強度が低下する。そこで、ＣＭＰ後に加工歪み層を除去するために、ウェットエッチングを用いるのが望ましい。例えば、フッ酸と硝酸と水との混合液（容量比で、フッ酸：硝酸：水＝５：３：１２５）をスプレーすることで研磨面の加工歪み層を除去できる。このようにして、所望の厚さまで薄肉化された単結晶シリコン薄板１が得られる。単結晶シリコン薄板１の厚さは、圧力センサの仕様によって異なるが、ダイヤフラムの大きさが４００μｍ角の場合には厚さ１０μｍ程度が、１気圧レンジの圧力センサには適している。なお、ＣＭＰとウェットエッチングとを組合せることにより、単結晶シリコン薄板１の厚さ精度は±１μｍ以内を達成でき、圧力センサの感度の安定性向上をもたらす。
【００１２】
図３（ａ）では、単結晶シリコン支持基板３上に絶縁層２を形成する。絶縁層２としては、シリコンと近い熱膨張係数を有するホウ珪酸ガラスが適している。絶縁層２の形成方法としては、スパッタ法やスピンコートして焼結する方法が適している。スパッタ法によるホウ珪酸ガラスからなる絶縁膜２の成膜においては、高周波電源によるプラズマ励起によるスパッタ法が適しており、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気（ガス流量比で、アルゴン：酸素＝９：１）が良い。さらに成膜後に３００℃程度のアニール処理することで、平滑なガラス薄膜を得ることができる。
【００１３】
続く図３（ｂ）では、絶縁層２の一部をエッチングによって除去して凹部を設ける。エッチング手法としては、リソグラフィー技術を用いて感光性樹脂をエッチングマスクとしたフッ酸ウェットエッチングやＳＦ６ガスによるプラズマエッチングが適している。ここでは、絶縁層２だけでなく単結晶シリコン支持基板３の表層もエッチングしても問題ない。ただし、絶対圧センサであることから、単結晶シリコン支持基板３を貫通してはならない。
【００１４】
次に図４（ａ）では、図２で得られた単結晶シリコン薄板１の背面側と、図３で得られた単結晶シリコン支持基板３上の絶縁層２とを、歪みゲージ５の位置が凹部の領域に適合するように真空中で接合する。これによって、ダイヤフラムが形成される。ここで、絶縁層２としてのホウ珪酸ガラスが酸化ナトリウムを４重量％程度含んでいると、接合手法として陽極接合方法が適用でき、シリコンとガラスの接合が容易になって真空封止の信頼性が高まる。陽極接合方法の一例として、絶縁層２に負電圧、単結晶シリコン薄板１に正電圧もしくは０Ｖとして、約４００℃の真空雰囲気中で３００Ｖの電圧を約２時間印加する。すると、凹部からなる空洞領域は真空状態で接合され、圧力基準室４が形成される。この圧力基準室４と外気との圧力差でダイヤフラムの単結晶シリコン薄板１の変形量が決まり、圧力基準室４は真空状態が保たれているので、本構成により絶対圧センサとして機能する。
【００１５】
このような圧力センサの製造方法では、薄肉化する前の十分に厚い単結晶シリコン基板１に歪みゲージ５を形成するので、リソグラフィーによって歪みゲージ５をパターニングする際にピントずれが生じない。すなわち、ダイヤフラムの歪みに起因するリソグラフィーのピントずれを回避して、歪みゲージ５を高精細に形成できる。また、歪みゲージ５が外気に露出されているので、歪みゲージ５と外部回路との接続が容易である。
【００１６】
さらに、外界との差圧でダイヤフラムが撓んでいない状態で研磨するので、ダイヤフラムの厚みを均一に制御することができ、性能ばらつきの小さい圧力センサの製造方法を提供できる。
【００１７】
なお、図４（ｂ）では、歪みゲージ５の表面に絶縁性保護膜６を形成する。これによって、耐環境性が向上する。例えば、歪みゲージ５に導電性を持った液体が付着することで電気的リークが発生することを防止する。
【００１８】
実施の形態２
図５は、実施の形態２を説明するための圧力センサの断面図である。この実施の形態は、実施の形態１における歪みゲージ５を圧力基準室４内に設けた変形例である。すなわち図５において、図２で得られた単結晶シリコン薄板１の正面側と、図３で得られた単結晶シリコン支持基板３上の絶縁層２とを真空中で接合し、ダイヤフラムを形成している。
【００１９】
このように、歪みゲージ５を圧力基準室４内に設けることによって、歪みゲージ５を絶縁性保護膜で被覆しなくても十分な耐環境性が得られる。絶縁性保護膜がない分、歪みゲージ５の圧力検出部としての良好な感度を維持できる。
【００２０】
ここで、歪みゲージ５の抵抗変化を外部回路に取り出すために、歪みゲージ５と外部回路の電気的接続の第一例として図６に示す構成を説明する。図６において、単結晶シリコン薄板１の正面側には、この単結晶シリコン薄板１と単結晶シリコン支持基板３上の絶縁層２との接合部の周辺に、電極パッド１１が形成されている。歪みゲージ５と電極パッド１１は、単結晶シリコン薄板１の正面側に形成された拡散抵抗からなる配線７を介して、電気的に接続されている。電極パッド１１および配線７は、半導体プロセスで形成される。
【００２１】
ここで、配線７が歪みゲージ５に比べて十分に低抵抗となるように、レイアウトおよびシート抵抗を工夫する。配線７のシート抵抗を数十Ω/□にすれば、拡散抵抗部分で発生する歪みに対しての抵抗変化量を、歪みゲージ５で発生する抵抗変化量に対して十分に小さくできる。
【００２２】
また、この圧力センサを実装する実装基板１２にも電極パッド１３を形成している。半田１４を用いて電極パッド１１と電極パッド１３を接続すれば、フリップチップによるセンサ実装が容易となる。
【００２３】
さらに、歪みゲージ５の抵抗変化を外部回路に取り出すために、歪みゲージ５と外部回路の電気的接続の第二例として図７に示す構成を説明する。図７において、単結晶シリコン支持基板３上には、単結晶シリコン薄板１とこの単結晶シリコン支持基板３上の絶縁層２との接合部の周辺に、電極パッド１６が形成されている。歪みゲージ５と電極パッド１６は、単結晶シリコン薄板１の正面側に形成された拡散抵抗からなる配線７と導電性シート１５を介して、電気的に接続されている。なお、導電性シート１５は、単結晶シリコン薄板１と絶縁層２とを接合する際に、単結晶シリコン薄板１と単結晶シリコン支持基板３の間に挟み込まれる。
【００２４】
このような圧力センサは、単結晶シリコン支持基板３上の電極パッド１６から外部回路への接続が、ワイヤボンドによって行われる。そのため、容易に接続できる。
【００２５】
実施の形態３
図８は、実施の形態３を説明するための圧力センサの断面図である。この実施の形態は、実施の形態１における単結晶シリコン支持基板３に貫通穴を形成して差圧センサとした変形例である。すなわち図８において、単結晶シリコン支持基板３の絶縁層２の一部を除去して凹部に設けた後、単結晶シリコン支持基板３もエッチングすることで、この凹部の底面の全領域もしくは一部領域を通る貫通穴１７が形成されている。
【００２６】
単結晶シリコン基板３のエッチング方法としては、高密度のプラズマエッチングがある。例えば、誘導性結合方式のプラズマ励起方法でＳＦ６ガスを主体とした反応性エッチングによって、貫通穴１７を形成できる。その他の手法としては、アルカリ溶液によるウェットエッチングがあげられる。
【００２７】
このようにして貫通穴１７を形成後、単結晶シリコン薄板１と単結晶シリコン支持基板３上の絶縁層２とを、例えば陽極接合方法によって接合する。この実施の形態によって製造された圧力センサは、単結晶シリコン薄板１の正面側と背面側の圧力差によってダイヤフラムの変形量が決まるので、差圧センサとして機能する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態１を説明するための圧力センサの断面図である。
【図２】実施の形態１における圧力センサの製造方法を説明するためのプロセス図である。
【図３】実施の形態１における圧力センサの製造方法を説明するためのプロセス図である。
【図４】実施の形態１における圧力センサの製造方法を説明するためのプロセス図である。
【図５】実施の形態２を説明するための圧力センサの断面図である。
【図６】実施の形態２における歪みゲージと外部回路の電気的接続を説明するための第一例の構成図である。
【図７】実施の形態２における歪みゲージと外部回路の電気的接続を説明するための第二例の構成図である。
【図８】実施の形態３を説明するための圧力センサの断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  単結晶シリコン基板（薄板）、２  絶縁層、３  単結晶シリコン支持基板、４  圧力基準室、５  歪みゲージ、６  絶縁性保護基板、７  配線、１１  電極パッド、１２  実装基板、１３  電極パッド、１４  半田、１５  導電性シート、１６  電極パッド、１７  貫通穴。
【図１】
2007033304.tif 000003
【図２】
2007033304.tif 000004
【図３】
2007033304.tif 000005
【図４】
2007033304.tif 000006
【図５】
2007033304.tif 000007
【図６】
2007033304.tif 000008
【図７】
2007033304.tif 000009
【図８】
2007033304.tif 000010